[논문]ILS 로컬라이저 시스템 분석 및 전력증폭기 설계

김수경; 구경헌

doi:10.12673/jant.2024.28.1.116

ILS 로컬라이저 시스템 분석 및 전력증폭기 설계
System Analysis and Power Amplifier Design for ILS Localizer 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.28 no.1, 2024년, pp.116 - 122

초록
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본 논문에서는 ILS (instrument landing system) 로컬라이저 전력증폭기의 변조도, 출력, 그리고 위상 변화량 규격의 요구성능을 도출하기 위하여, 시스템의 주요 성능 중에서 course structure와 course width를 연구하였다. Course structure의 편차 규격(± 5 uA)을 만족하기 위한 CSB (carrier with sideband) 증폭기의 변조신호 DDM (difference in depth of modulation) 편차 규격을 ± 1 uA(0.001 DDM)로 규격화하였다. CSB 30 W 전력증폭기를 설계하였고, 변조도 보상회로를 통하여 동작운용 출력범위(45 dBm ~ 35 dBm)에서 SDM (sum in depth of modulation)은 40% ± 0.1%, DDM은 ± 0.0005 DDM의 특성을 얻었다. 그리고 course width와 displacement sensitivity 규격에 대하여 시뮬레이션으로 분석하고, 가장 엄격한 규격인 운용개시 점검시에 적용되는 ± 0.1 ° 변화량을 적용하여, SBO (suppressed with sideband only) 증폭기의 출력변동은 ± 2 mW, 위상은 ± 3 ° 로 규격화하고 특성을 만족하였다. 출력과 온도에 따른 보상회로를 적용하여, 안정적인 변조지수, 출력, 그리고 위상 특성을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, course structure and course width were studied among the main performances of the system to derive the required performance of the modulation index, output power, and phase change specifications of the instrument landing system (ILS) localizer power amplifier. To satisfy the course structure's deviation standard (± 5 uA), the difference in depth of modulation (DDM) deviation standard of the carrier with sideband (CSB) amplifier was standardized to ± 1 uA(0.001 DDM). CSB 30 W power amplifier was designed, and through the modulation compensation circuit, sum in depth of modulation (SDM) is 40% ± 0.1% and DDM is ± 0.0005 DDM in the operating output range(45 dBm ~ 35 dBm). In addition, the course width and displacement sensitivity specifications were analyzed through simulation, and the ± 0.1° change applied during comissioning inspection, which is the most stringent standard, was applied. The output variation of the suppressed with sideband only ( SBO) amplifier was ± 2 mW or less, The phase was standardized to within ± 3 ° and the characteristics were satisfied. By applying a compensation circuit according to output power and temperature, stable modulation index, output, and phase characteristics were obtained.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. ILS 로컬라이저 운용범위와 변조신호[4] Fig. 1. The coverage and modulation signal of ILS localizer[4].
그림 그림 2. 로컬라이저 course structure Fig. 2. Localizer course structure.
그림 그림 3. 코스폭과 편위감도 Fig. 3. Course width and displacement sensitivity.
그림 그림 4. 로컬라이저 운용범위에서의 DDM 신호 Fig. 4. DDM signal of localizer operational range.
그림 그림 5. SBO Amp의 Pout & phase 변화에 따른 코스폭 Fig. 5. Course width according to change in Pout & phase of SBO Amp.
그림 그림 6. CSB & SBO Amplifier 블록도 Fig. 6. Block diagram of CSB & SBO amplifier.
표 표 1. 증폭기 주요 요구성능 규격 Table 1. Specification of required amplifier performance.
그림 그림 7. 로컬라이저 주 증폭기 제작 사진 Fig. 7. Photo of the main amplifier for localizer.
그림 그림 8. 로컬라이저 CSB 증폭기의 SDM & DDM 특성 Fig. 8. SDM & DDM characteristics of CSB amplifier for localizer.
그림 그림 9. CSB 증폭기 RF 특성(30 W) Fig. 9. CSB amplifier RF characteristics(30 W).
그림 그림 10. SBO 증폭기 RF 특성(160 mW) Fig. 10. SBO amplifier RF characteristics(160 mW).
그림 그림 11. CSB & SBO 위상동기 DDM 측정값 Fig. 11. CSB & SBO phased-locked DDM measurements.
표 표 2. 요구성능 대비 측정값 비교 Table. 2. Comparison of Measurement Characteristics against Required Performance

AI 본문요약
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제안 방법

94 °(Ref)를 기준으로 좌·우측으로 course width 변화량을 기록하였고 그래프로 작성하였다. 1%, 3%, 5%, 10%, 그리고 17% 변화량 에서 course width의 편위에 해당 되는 값을 구하기 위하여, 세로축 SBO 출력과 위상 변화 값을 구하였다. 정기검사시에 적용되는 displacement sensitivity 규격은 ± 10%이므로 이 기준을 적용하면, SBO 출력은 – 16.
AXIS 시뮬레이터로 SBO 증폭기의 출력과 위상값을 변화시켜가며 코스폭의 변화를 연구하였으며, 이때 CRS CSB 출력은 공간변조의 기준신호로써 변화시키지 않았다. 그림 5에서 가로축의 가운데 3.
CSB와 SBO 출력은 AGC 회로를 통하여 안정적으로 출력 특성을 얻을 수 있었으며, 안정도는 CSB 출력은 100 mW 이내, SBO 출력은 2mW을 얻기 위하여 16 bit DAC를 사용하여 정밀 전력 제어를 하였다. 증폭기의 온도 변화에 다른 출력 안정을 위하여 각각 온도 보상회로를 적용한 하여 0.
그림 11은 두 신호를 90° phasing으로 합성하여 0 DDM 특성을 보여주며, 한국공항공사 FTS (field test system, 모델명 : SKY Maru 910) 계측기로 측정하였다. II장에서 시스템 주요규격 (course structure, course width, displacement sensitivity) 분석에 통하여 전력증폭기의 요구규격을 도출하였으며, 표 2에서 요구성능 대비 측정값을 비교하였다.
CSB와 SBO 출력단에서 반송파 위상 동기가 이루어져야 한다. SBO의 억압된 반송파를 재복원하여 CSB 신호와 위상 Detector에서 위상 비교를 하였고 일정한 위상 오차를 유지하는 APC를 설계하였다. 공간에서의 CSB 변조신호 (90 Hz + 150 Hz)와 SBO 변조신호 (90 Hz - 150 Hz) 합성신호를 시험을 통하여 실험을 진행하였다.
공간에서 합성된 90 Hz와 150 Hz는 신호처리에 의해 분리하여 개별 변조도가 측정되며, 식(2)와 식(3)에 의한 변조신호 간의 합과 차의 신호가 SDM과 DDM의 지수로 계산된다. 공간상에서의 변조도 변화에 따른 course structure와 course width의 편위 정도를 분석하고 비콘 송신 증폭기의 요구성능 목표를 도출하기 위한 분석을 하였다.
본 연구에서는 빔합성기 설계와 안테나 설치는 물리적으로 정렬이 되었다는 가정하에, ILS 로컬라이저의 송신부 CSB와 SBO 전력증폭기의 성능이 시스템의 주요 요구성능에 미치는 영향을 분석하고, 전력 증폭기의 요구규격으로 도출하여 설계· 측정하였다
시스템의 주요 요구사항 분석을 통해 SDM의 변조도 편차를 40% ± 0.1% 이하의 특성을 얻기 위하여 AGU에서 인가되는 합성 변조신호에 DC Offset 보상회로를 적용하였으며, SPU에서 DAC 값을 변화시켜가며 출력 및 온도 변화에 따른 미세한 변조도 편차를 보정하였다
시스템의 주요 요구성능으로는 항공기 수신신호가 center line 연장선에서 측정 되는 DDM의 편차를 정의하는 course Structure, 수평면상의 진입각으로서 규정된 0.155DDM수치로 조정된 course width, 그리고 운용개시나 정기검사시 유지관리하는 displacement sensitivity 요구성능을 중점적으로 분석하였다. 본 논문에서 주요한 지표로서 자주 언급되고 공간에서의 합성변조 지수로 사용되는 DDM과 SDM은 식(1) ~ 식(3)으로 나타낼 수 있다[6]-[7].
CSB와 SBO 증폭기의 가장 중요한 특성은 출력과 위상의 안정적 제어이다. 증폭기의 출력은 각 증폭기의 출력 신호를 커플링하여 감지한 이후에 내부 제어회로인 적분기를 이용하여 각각 출력을 일정하게 제어하는 AGC (auto gain control)를 설계하였다. 위상제어는 CSB 신호를 먼저 Local 신호에 먼저 동기화 시키고, SBO의 반송파 위상과 동기화하였다.

대상 데이터

SBO의 억압된 반송파를 재복원하여 CSB 신호와 위상 Detector에서 위상 비교를 하였고 일정한 위상 오차를 유지하는 APC를 설계하였다. 공간에서의 CSB 변조신호 (90 Hz + 150 Hz)와 SBO 변조신호 (90 Hz - 150 Hz) 합성신호를 시험을 통하여 실험을 진행하였다. SBO 출력에 90도 케이블을 연결하고, CSB 출력과 동위상 결합을 하면 변조신호들의 벡터 합·차로 동작하여 동일한 변조값으로 고정된다.
그림 11은 두 신호를 90° phasing으로 합성하여 0 DDM 특성을 보여주며, 한국공항공사 FTS (field test system, 모델명 : SKY Maru 910) 계측기로 측정하였다
SBO 출력 160 mW 에서의 RF 특성을 그림 10에서 보여주고 있다. 보유하고 있는 로컬라이저 안테나 및 비콘 기준으로 Course Width에 설정하는 출력으로 측정하였으며, 설계한 증폭기의 운용 동작범위 출력은 30 mW ~ 500 mW 이다. 반송파 신호 억압은 - 60 dBc 이상의 양호한 특성을 얻었다.
위상차이 값에 선형적인 phase detector를 사용하여 위상오차를 감지하였다. 위상차이를 일정하게 제어하는 AGC 회로로 자동제어 회로를 설계하였다. SPU (signal process unit)에서 별도 제어하는 DAC (digital to analog converter)전압으로 AGC & APC의 동작을 제어하였다.
94 °로 시뮬레이션 되었다. 한국공항공사에서 운영하는 전국 14개 공항의 활주로는 3600 m~2000 m까지 분포되어 있으며, 중간활주로 길이를 모델로 삼았다. 아래 그림 4에서 보는 것과 같이 course width는 3.
활주로 길이는 2800 m (9000 ft)를 적용 하였으며 course width는 3.94 °로 시뮬레이션 되었다

이론/모형

5 ° 이내이거나 운용개시 검사시에 설정된 값의 10%값 중 최소값이 적용된다[1]-[2]. ILS 필드 환경 시뮬레이터(AXIS 110 ILS localizer)를 이용하여 출력과 위상 변화에 따른 course width를 변화를 시뮬레이션 하였다. 이때 안테나는 시뮬레이터에 모델링 되어있는 Wilcox 20/10 Dual 모델을 적용하였다.
계기착륙시스템(ILS; instrument landing system)은 항공기의 활주로 접근 및 착륙 유도용 국제 표준시설로써, 지향성 전파를 방사하여 정상궤도로 활주로까지 안전하게 유도하는 시스템이며, 로컬라이저(LOC; localizer), 글라이드패스(GP; glide path), 마커(marker)로 구성되는 무선설비로써 각각 항공기에게 방위각, 활공각, 그리고 착륙지점까지의 거리정보라는 3차원 정보를 제공한다. 본 논문에서 연구한 계기착륙시스템 로컬라이저의 규격은 국제민간항공기구(ICAO; International Civil Aviation Organization)의 국제표준 및 권고(SARPs; Standard and Recommended Practices)로 규정돼 있다. 운용 주파수 대역은 108.
본 연구에서는 빔합성기 설계와 안테나 설치는 물리적으로 정렬이 되었다는 가정하에, ILS 로컬라이저의 송신부 CSB와 SBO 전력증폭기의 성능이 시스템의 주요 요구성능에 미치는 영향을 분석하고, 전력 증폭기의 요구규격으로 도출하여 설계· 측정하였다. 시스템의 전기적 규격은 ICAO 기준으로서, 결심고도 (DH; decision hight) 30 m 이하이고 시정거리 (RVR; runway visual range) 300 m 이하에서 적용되는 CAT (category) Ⅲ 기준으로 적용한다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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